Для развития угольного региона

Институт угля ФИЦ УУХ СО РАН отмечает в нынешнем году свое 40-летие


Институт угля СО АН СССР — первое самостоятельное учреждение Академии наук СССР в Кузбассе — был создан в 1983 году на базе Кузбасского комплексного отдела физико-химических и экологических проблем Института неорганической химии СО АН СССР и Кузбасского комплексного отдела Института горного дела СО АН СССР. С рождением института в Кузбассе началось создание базы академической науки, способной решать на высоком уровне фундаментальные и прикладные проблемы, вопросы научного, технического и социального развития угольного региона.

Организатором института и его первым директором с 1983 по 2002 год был член-корреспондент АН СССР (РАН) Г.И. Грицко. Было сформировано 2 отдела: угольный и отдел химических и экологических проблем. Одной из первоочередных задач руководства института было привлечение к работе в нем молодых кадров, студентов, стажеров-исследователей, соискателей ученой степени.

Развитие Института угля позволило выделить из его состава Институт химии углеродных материалов (распоряжение Президиума СО АН СССР № 503 от 25 октября 1990 г.). Позднее на базе двух институтов, а также отделов и лабораторий других институтов СО РАН был организован Кемеровский научный центр Сибирского отделения РАН (постановление Президиума СО РАН № 491 от 16 октября 1991 г.), председателем которого был избран Г.И. Грицко.

Важным событием в истории Института угля стало принятие его Ученым советом 30 мая 1995 года решения об организации Музея угля — первого отечественного музея угольного профиля. Инициатором и идеологом его создания был директор института, председатель Президиума Кемеровского научного центра СО РАН, член-корреспондент РАН Г.И. Грицко. Проблема достойного отражения научно-технических достижений угольной отрасли, популяризации знаний об основном природном богатстве края — угле особо актуализировалась в связи с динамично возрастающей социально-экономической значимостью Кузбасса в конце XX в.

В настоящее время в экспозиционно-выставочном комплексе «Музей угля» представлены научно систематизированные естественно-научные коллекции угольного профиля. Они раскрывают междисциплинарные знания о генезисе угля, его типах и классификациях, физических и технологических свойствах, геологических особенностях залегания и возможностях использования в современном мире.

С 2002 по 2010 год Институт угля возглавлял известный ученый в области геоинформатики, доктор технических наук, профессор Вадим Петрович Потапов.

Получили развитие новые фундаментальные научные направления института: геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в углях, геоэкология угледобывающих районов, математическое моделирование газодинамических явлений при угледобыче. Значительно активизировались хоздоговорные отношения с предприятиями угольной промышленности. Институт выступил одним из организаторов Кузбасского технопарка, созданного администрацией Кемеровской области для разработки и внедрения в производство наукоемких технологий, призванных дать новый импульс экономике Кузбасса.

Для реализации этих целей по просьбе губернатора Кемеровской области А.Г. Тулеева и председателя СО РАН академика А.Л. Асеева в Кемерово был приглашен академик РАН, доктор геолого-минералогических наук А.Э. Конторович, который в труднейших условиях начал системную перестройку работы Центра и во многом реализовал новую стратегию СО РАН по развитию академической науки в Кузбассе.

C ноября 2010 года Институт угля возглавляет известный ученый, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Владимир Иванович Клишин.

За короткий период сформирован и укреплен ведущими специалистами научный коллектив, проведены серьезные структурные преобразования, организованы лаборатории для развития нового научного направления — горного машиноведения, ведется активная работа по созданию экспериментально-испытательных стендов, развивается хоздоговорная деятельность.

Институт угля продолжает работу в лучших своих традициях, разрабатывая технологии эффективного освоения угольных месторождений роботизированным комплексом с управляемым выпуском подкровельной толщи, а также применения роботизированной многофункциональной шагающей механизированной крепи в различных технологических схемах. Решается большой круг задач по повышению безопасности ведения горных работ. Это и управление трудно­обрушающейся кровлей в угольных шахтах, включая средства его реализации, и совершенствование методов интенсификации процесса дегазации неразгруженных угольных пластов и технологий добычи, переработки, утилизации, оценки ресурсов и подсчета запасов угольного метана. Кроме этого, сотрудниками предлагаются эффективные и инновационные методы оценки, диагностики и контроля геомеханического состояния массивов горных пород и углей, прогноза геодинамических явлений при разработке угольных месторождений. Большой цикл работ посвящен вопросам диагностики и оценки технического состояния крупногабаритной техники.

Всего в институте трудится 83 человека, более половины из них — научные сотрудники, в том числе 13 докторов и 24 кандидата наук. В Институте угля ФИЦ УУХ СО РАН имеется 9 лабораторий, две из которых созданы в рамках национальных проектов «Наука и университеты» и «Наука и университеты Кузбасса», и Кабинет истории угольной промышленности Кузбасса, хранящий уникальные коллекции и архивы угольной науки.

Для внедрения результатов научно-исследовательских работ в промышленное производство в институте создан и развивается Испытательный центр горношахтного оборудования и апробации инновационных технологий угледобычи и переработки, включающий универсальную стендовую базу для проведения исследований по всем направлениям деятельности института. Это геотехнология (подземная, открытая и строительная), разработка угольных месторождений; геомеханика, разрушение горных пород, шахтная и рудничная аэрогазодинамика; обеспечение безопасности при разработке угольных месторождений; угольное машиноведение, механизация и автоматизация горных работ; обогащение угля.

Разработанное в Институте угля Руководство по безопасности «Рекомендации по определению газоносности угольных пластов» утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 9 августа 2016 г. N 333 и содержит рекомендации по порядку отбора угольных проб при бурении скважин в горных выработках угольных шахт, порядку определения объема газа, выделившегося из отобранных угольных проб, порядку расчета природной и остаточной газоносности угольных пластов. Руководство рекомендуется использовать для определения природной и остаточной газоносности угольных пластов.

В институте создан, впервые введен и действует в настоящее время национальный стандарт Российской Федерации «Метод направленного гидроразрыва кровли горных пород в угольных шахтах», утвержденный Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 мая 2020 г. №239-ст. Стандарт устанавливает основные требования по выбору технологических схем и параметров заложения скважин при проведении работ по разупрочнению пород кровли в угольных шахтах методом направленного гидроразрыва. Метод применяется для управления кровлей полным обрушением при разработке угольных пластов. Создание в прочном породном массиве ориентированных направленных трещин позволяет эффективно управлять горным давлением.

Институт является участником НОЦ «Кузбасс», выполняя работы в рамках КНТП «Чистый уголь — зеленый Кузбасс» по созданию технологий эффективной отработки трудноизвлекаемых запасов пластовых угольных месторождений подземным способом и скоростной проходки горных выработок роботизированными модулями; технологий и оборудования повышения эффективности дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения безопасной добычи угля в сложных горно-геологических условиях; технологий мониторинга фугитивных выбросов парниковых газов и их сокращений при использовании чистых угольных технологий и других прогрессивных разработок мирового уровня, включая создание цифровых двойников и применение дополненной и виртуальной реальности.

Актуальные проекты Института угля

Одним из основных направлений Института угля является создание принципиально нового подхода к технологии отработки мощных пологих и крутых угольных пластов с управляемым выпуском угля, что открывает новые возможности создания механизированных крепей.

Секция механизированной крепи для реализации технологии с управляемым выпуском угля.

Новизна создаваемого роботизированного комплекса на базе разрабатываемой секции крепи заключается в обеспечении управляемого выпуска полезных ископаемых из подкровельной или межслоевой толщи на основе физического эффекта разрушения толщи под действием сил горного давления с применением питателя. Технология создает новое направление конструирования роботизированных комплексов для реализации технологий «безлюдной» добычи угля из мощных пластов.

Прогрессивная технология позволяет повысить концентрацию горных работ, снизить вероятность возникновения эндогенных пожаров за счет уменьшения эксплуатационных потерь угля до 15-20%; сократить затраты на проведение и поддержание подготовительных выработок, монтаж-демонтаж комплекса и оборудования; повысить производительность труда и нагрузку на очистной забой. Крепь может быть адаптирована для различных горно-геологических условий залегания пласта (3,5-10 м и более).

Проведен комплекс теоретических и стендовых исследований, численных экспериментов по моделированию процесса выпуска угля в различных режимах, определены рациональные параметры комплекса, разработана система управления выпуском.

Эффективных методов решения проблем, вызванных наличием труднообрушаемых кровель и большого содержания метана в угольных пластах, а также разработанных методов управления горным давлением и извлечения метана до ведения очистных и подготовительных работ нет ни в России, ни за рубежом, хотя динамические явления, обусловленные ростом напряженного состояния по мере освоения более глубоких горизонтов, известны во всем мире. Для предотвращения динамических явлений в шахтах предложены уникальные безвзрывные технологии и средства их реализации для управления такими кровлями, их своевременного искусственного обрушения, принудительной посадке: метод направленного гидроразрыва (НГР) кровли и метод поинтервального гидроразрыва (ПГР) угольного пласта. Сущность НГР заключается в создании в массиве предварительно созданной щели как концентратора напряжений. Далее в эту щель нагнетается жидкость и происходит направленный разрыв и появление протяженной трещины. В таком случае монолитный массив превращается в слоистый с нужным количеством слоев и блоков для их управления.

Разработаны технологические схемы по применению направленного гидроразрыва для разупрочнения кровли в монтажной и демонтажной камерах, для сохранения повторно используемых выработок и снижения нагрузок на угольные целики, а также для ликвидации пучения почвы горных выработок. Для технического решения задачи дегазации на стадии подготовительных работ предложен метод ПГР, который повышает газоотдающую способность неразгруженных угольных пластов. Это происходит за счет увеличения площади создаваемых в массиве трещин. В этом случае разрывное устройство (двусторонний пакер) представляет собой два упруго расширяющихся рукава, между которыми установлен межпакерный клапан, предназначенный для регулирования давления рабочей жидкости в гидросистеме.

Он служит для своевременного пакерования скважины в зоне между упруго расширяющимися рукавами и дальнейшего повышения давления в этой зоне до величины, достаточной для гидроразрыва. Перемещая пакер вдоль скважины, можно производить гидроразрывы водой или водными растворами в заданных участках угольного пласта. В рамках проекта разрабатываются методы прогнозирования и управления геомеханическим состоянием горного массива в период формирования и проявления динамических явлений для его профилактической гидрообработки, необходимые для выбора и обоснования рациональных мероприятий и корректировки планов развития горных работ. В качестве решения предложен комплексный подход, основанный на совместном использовании сейсмоакустического профилирования с элементами сейсмической томографии и численного моделирования. Для этого разрабатываются методы и средства в виде комплекта шахтной многоканальной геофизической аппаратуры с несколькими пунктами приема сейсмических сигналов, оснащенной автономными регистраторами, геофонами и механическим ударным источником упругих колебаний.

В угольных шахтах, особенно где разрабатываются высокогазоносные и склонные к динамическим явлениям угольные пласты на глубине более 300 м происходит деформация геотектонических блоков, что способствует увеличению рисков внезапных геодинамических событий и возможности прорыва метана в подземные горные выработки.

Активно ведется разработка вариантов технологий скоростной проходки подземных подготовительных горных выработок и отработки трудноизвлекаемых запасов угля в пластах с применением роботизированных модулей в составе проходческих и очистных комплексов, предназначенных для повышения безопасности работ и сокращения времени подготовки и отработки трудноизвлекаемых промышленных запасов полезного ископаемого за счет использования уникальной конструкции крепи поддерживающе-оградительного типа для предотвращения внезапного обрушения пород кровли, а также за счет возможности удаленного дистанционного управления роботизированными модулями оператором из безопасной зоны. Одновременно из технологического цикла исключается операция по установке временной крепи.

В настоящее время уже разработаны три эскизных варианта технологических схем скоростной проходки подготовительных подземных горных выработок на основе гидрофицированной крепи шагающего типа с использованием: серийного горнопроходческого оборудования с возведением постоянной анкерной крепи под защитой гидрофицированной крепи; модуля передвижной рамной крепи с возведением анкеров под защитой этой крепи; средств гидравлического разрушения угольного пласта в забое и самотечного гидротранспорта горной массы с возведением постоянной анкерной крепи под защитой гидрофицированной крепи.

В ходе реализации проекта разработан и изготовлен прототип универсального пульта для дистанционного управления горно-шахтным оборудованием, работа которого будет продемонстрирована на стендовой установке моделирования технологий скоростной проходки горных выработок и эффективной отработки трудноизвлекаемых запасов пластовых угольных месторождений и алмазосодержащих россыпей подземным способом.

Разрабатываемые технологии включены в перечень видов технологий, признаваемых перспективными, в целях заключения специальных инвестиционных контрактов (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 28 ноября 2020 г. №3143-р).

Созданная в рамках РНФ уникальная лабораторная установка по исследованию глубины чувствительности спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния горного массива позволяет моделировать и прогнозировать состояние горного массива в период формирования и проявления динамических явлений кровли впереди подготовительной выработки для установления влияния влажности, опорного давления и различного рода нарушений. Для регистрации и обработки данных с оборудования лабораторной установки по исследованию чувствительности спектрально-акустического метода разработано специализированное программное обеспечение.

Установлено, что амплитуда акустического сигнала, распространяющегося от дизъюнктивного нарушения до геофона, установленного в борт моделируемой выработки, примерно в два раза меньше сигнала от моделируемого пликативного нарушения до геофона. Однако зависимость коэффициента выбросоопасности от расстояния между нарушением и поверхностью забоя для обоих типов нарушения близка по форме и величине. Установлено, что для обоих типов нарушения зависимость показателя выбросоопасности от расстояния между поверхностью забоя и нарушением имеет экспоненциальный характер.


2024-МАЙНИНГ